CN105388799B - 一种实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，首先在RTLinux实时操作系统下的simulink环境中进行各种电路模型的搭建。然后通过S函数创建的以太网通讯接口，将仿真模型的输出以非常严格的时钟节拍发送给控制器。控制器接收到数据后经过一定的算法处理，将控制的开关量发送给仿真模型。操作系统根据开关量的内容将当前的仿真模型切换至相应的仿真模型中。本发明将simulink直接放到RTLinux实时的操作上进行实时仿真处理，实现了强时钟节拍的模型输出和快速的模型切换。这大大的减少了控制器算法的开发成本，缩短了其开发周期。

Description

一种实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法

技术领域

本发明针对电力系统中的各种模型的控制算法的实现和校验设计了一种实时的自动化控制装置的仿真平台，为电力系统中的装置模型的控制算法的实现和校验提供了有力的保障。

背景技术

现如今，对于电力系统中的不同模型装置的控制算法的实现和校验都需要设计相应的硬件开发板或者是使用大型装置作为被控对象，来提供相应的被控信号源。其中对于不同的模型就需要开发设计不同的开发板，比如在研究电力系统的谐波抑制算法时，对于不同模型产生的谐波可能需要不同的开发板来提供被控信号，来对控制算法进行校验的和实现，这耗费了大量的财力和物力，很不经济。而且有的被控对象的造价极高，现场调试风险极大。针对于上述问题，设计一种实时的仿真平台，来实现电力系统中各种电路模型的仿真，并且能够准确的模仿电力系统模型的各种运作状态，直接关系到控制器算法的开发周期和研究成本。现有的半实物的仿真平台都是在主控计算机上利用simulink生成实时代码，然后将其下载到具有实时内核的目标机上进行实时仿真，这存在的缺点是很难精确的模拟电力系统中开关量的动作时间，而且开发成本比较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明采用如下技术方案：

一种实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，包含以下几点：

Simulink仿真模型的搭建和仿真：利用matlab高效的模型搭建和数据处理能力这一优点，搭建电力系统中的各种电路模型。

实时的操作系统：采用RTLinux实时操作系统，达到100us高精度的时钟定时和高时钟精度的任务切换。

以太网接口：利用simulink中的S函数创建自定义的以太网通讯接口，将受控信号发送给下位机上的控制器。

强时钟节拍的设置：利用RTLinux操作系统的强实时性，设置时钟节拍为100us。

具体方法为：直接在RTLinux实时操作系统中，搭建好Simulink模型进行实时仿真处理。并将模型中输出的被控信号，以非常准确的时钟节拍100us，通过以太网接口发送给控制器。控制器接收到被测信号后，经过一系列的控制算法处理后，将控制量通过以太网接口发送给上位机的仿真模型，仿真模型根据控制量的内容，将现有的模型切换到所对应的模型中来。Matlab继续计算处理当前的模型数据，并将被控量以强时钟节拍通过以太网接口发送出去，如此循环下去。

需要强调的一点是，为了保证仿真模型输出符合实际电力系统中模型的输出，必须使仿真模型以非常严格的时钟节拍输出数据。强时钟节拍的输出控制是为了模仿实际电路中的采样时间。

同时，为了达到强时钟节拍的模型数据的输出和模型输出数据的准确性，Matlab采用等待机制来处理数据，即当处理完一个模型数据后，不是立即处理下一个模型数据，而是等待定时100us时钟中断的到来后再处理和计算下一个模型。

本发明创造的有益效果：

抛开了传统的半实物仿真平台,不再是利用simulink生成实时代码然后将其下载到实时仿真目标机上，而是将simulink直接放到RTLinux实时的操作系统上进行实时仿真和处理，达到强时钟节拍的模型输出和快速的模型切换，符合实际电力系统模型的输出。本发明能够很好地模拟实际电力系统中的电路模型的输出和动作响应，能够快速准确的校验和实现控制器上的算法，大大的减少了控制器算法的开发成本，缩短了其开发周期。

附图说明

图1是本发明的系统整体框图。

图2是本发明的硬件结构图。

图3是本发明的软件实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明创造的技术方案做进一步的说明。

本发明包含三个部分，首先是在RTLinux实时操作系统上利用matlab中的simulink进行电力系统各模型的搭建，然后在simulink上基于S函数设计自定义的以太网通讯接口。研究发现，当模型中有自定义的S函数出现时必须要为其编写相应的TLC文件才可以进行实时仿真，由此需要编写相应的TLC文件。为了使模型输出按照十分严格的时钟节拍100us发送出去，在自定义的S函数中还需要编写一个定时中断函数，通过触发定时中断来实现定时100us发送模型输出数据的目的。该定时中断采用RTLinux操作系统中的硬实时中断来实现。控制器接收到被控信号后，经过一系列的控制算法将其控制的开关量发送给仿真模型，仿真模型接收到控制信号后，根据控制信号的内容将模型切换到相应的电路模型中。由于在Matlab上计算和处理模型数据时，对于不同的模型数据，Matlab的处理速度不同，可能存在的问题是Matlab处理完当前的数据，但是还没有到达发送的时间，就将这部分数据丢弃了，而继续处理下一个模型数据，这会直接影响到控制器的算法处理，所以为了达到模型输出的强实时性和准确性，Matlab处理模型数据采用延时等待的机制，即matlab处理完模型数据后不是立即处理下一个模型的数据，而是等待定时时钟中断的到来后才进行下一次的处理计算。该定时时钟中断也是采用RTLinux操作系统中的硬中断来实现。这样就可以保证仿真模型以非常严格的时钟节拍发送数据，并迅速的响应控制器发送来的控制量，达到模拟实际电力系统中电路模型的数据输出和对开关量动作的响应，进而达到准确快速的验证控制器算法的目的。

如图1、图2、图3所示，图1为本发明的系统整体框图；图2是本发明的硬件结构图；图3为本发明的软件实现流程图。

根据图1系统的整体框图可知，本发明设计的仿真平台实现了一个闭环的控制系统。被控对象是在simulink上搭建的仿真电路模型，电路模型的输出为被控信号，其与用户给定的期望输出进行比对，然后经过控制器中相应的算法处理，输出控制信号给被控对象，达到控制模型输出为期望输出，进而达到对控制器算法的实现和验证的目的。其中控制信号为开关量。

根据图2硬件结构图可知，本发明设计的仿真平台只包含两个硬件部分，一部分是带有实时内核的PC机，另一部分是控制器。其中PC机上安装有RTLinux实时操作系统和matlab软件，控制器上有下载好的待测的控制算法。PC机与控制器之间通过以太网接口实现双向通讯。

根据图3软件实现流程图可知，本发明设计的仿真平台的具体实现方法如下：

首先需要初始化电路模型，设置电路模型中的参数和输入输出变量的类型和个数，设置仿真模型的采样时间为1us。

其次电路模型启动，初始化以太网通讯接口，设置发送端口号，接收方的端口号和IP地址，并打开网络端口。

然后进行定时100us中断响应的检测。如果中断到来，则响应中断，模型输出，以太网发送数据，否则继续等待中断的到来。

监听网络端口。当网络端口监听到控制器发送来的数据时，对接收到的数据进行判断，否则网络端口继续监听。如果接收到的数据为开关量，则操作系统根据开关量的内容将simulink中的电路模型切换至相对应的电路模型中，并等待定时100us时钟中断的到来，否则电路模型结束运行，以太网端口关闭，程序结束。

当100us定时时钟中断到来时，重新初始化电路模型，开始下一次的模型处理，如此循环。

需要说明的一点是，本发明的软件实现部分都是在simulink中自定义的S函数中实现的。为了使simulink实现实时仿真，还需要为S函数编写相应的TLC文件。当编写好相应的TLC文件后，simulink就可以实现实时仿真。

上述程序基本实现了仿真电路模型定时100us强时钟节拍的输出，并能够快速在这些仿真模型之间进行切换，能够很好地模拟实际电力系统中的各种电路模型的数据输出和动作响应，达到准确快速的验证控制器算法的目的。

虽然本发明创造已较好地实施并公开如上，但它们并不是用来限定本发明创造，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明创造之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明创造的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，其特征在于：

强时钟节拍的设置：利用RTLinux实时操作系统的强实时性，设置时钟节拍为100us；

直接在RTLinux实时操作系统中，搭建好simulink模型并进行实时仿真处理；然后将模型中输出的被控信号通过以太网接口以非常准确的时钟节拍100us发送给控制器，其中以太网发送数据是通过触发定时时钟中断来实现的；控制器接收到被控信号后，经过一系列的控制算法处理后，将被控信号通过以太网接口发送给RTLinux实时操作系统的仿真模型，RTLinux实时操作系统根据控制量的内容，将现有的模型切换到所对应的模型中来；Matlab采用等待机制来计算处理当前的模型数据，并将被控信号以强时钟节拍通过以太网接口发送出去，如此循环下去。

2.根据权利要求1所述的实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，其特征在于：Matlab采用等待机制来处理模型数据，即当处理完一个模型数据后，不是立即处理下一个模型数据，而是等待定时100us时钟中断的到来后再处理和计算下一个模型数据。

3.根据权利要求1所述的实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，其特征在于：以太网接口是利用simulink模型中的S函数自定义创建的。

4.根据权利要求1所述的实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，其特征在于：定时时钟中断是利用RTLinux实时操作系统中的硬中断来实现的，定时时钟设置为100us。

5.根据权利要求1所述的实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，其特征在于：仿真模型通过强时钟节拍控制模型输出，来模拟实际电力系统中的电路模型输出的采样时间，进而达到准确模拟实际电力系统中的模型输出的目的。

6.根据权利要求1所述的实时的自动化控制装置的仿真平台设计方法，其特征在于：simulink模型是直接在RTLinux实时操作系统中进行搭建和实时仿真的；通过给自定义的S函数编写相应的TLC文件来实现simulink模型的实时仿真。